USB im Wandel der Zeit: Eine Reise von USB1.0 zu USB4

Von den Grundlagen der USB-Standards, angefangen bei USB 1.0 bis hin zu den neuesten Entwicklungen mit USB 4.0, zeigt unser umfassenden Leitfaden alles, was Sie zur USB-Technologie wissen müssen. Lernen Sie die verschiedenen Anschlussarten wie Typ A, B und C kennen und verstehen Sie die wichtigsten Kennzahlen, die die Leistung und Kompatibilität dieser vielseitigen Schnittstellen bestimmen.

Der Begriff „USB“ steht für „Universal Serial Bus“. Ein „Bus“ ist eine Schaltungsverbindung, die zur Übertragung von Daten oder Strom zwischen Komponenten in einem elektronischen System gedacht ist. Ein „serieller“ Bus überträgt die Daten bitweise über eine einzige Leitung. USB ist ein technischer Standard, der Spezifikationen für die Anschlüsse und Kabel festlegt, die zur Verbindung der verschiedenen Geräte in einem elektronischen System verwendet werden.

USB Universal Serial Bus zur Übertragung von Daten oder Strom

Im einfachsten Sinne ermöglicht der USB-Standard eine simple und bequeme Verbindung und Datenkommunikation zwischen den Geräten. Allerdings hat sich das System weiterentwickelt und kann noch viel mehr. Das USB-Protokoll und die damit verbundenen Produkte wurden aufgrund komplexer Verbindungen und langsamer Datenübertragungen in Computersystemen der frühen 1990er Jahre entwickelt. Mit der Einführung des USB-Standards im Jahr 1996 wurde das Flickwerk an Verbindungen vereinfacht und rationalisiert. Von da an war der USB-Standard praktisch eine Geschichte der Geschwindigkeitsentwicklungen.

Die Verfeinerung des USB-Protokolls und der darauf basierenden Produkte erstreckte sich über einen Zeitraum von 25 Jahren und es wird kontinuierlich weiterentwickelt. Das Ziel des USB Implementers Forum (USB-IF), ein Zusammenschluss von mehr als 700 Unternehmen, die den Standard unterstützen, war stets die Erhöhung der Datenübertragungsgeschwindigkeit und die Verbesserung der Stromversorgung. Dies führte zu einer breiteren Akzeptanz der Computertechnologie in Unternehmen und auf dem Computerbereich, da die Einrichtung und der Austausch von Geräten vereinfacht wurden.

Die Ära der Verbindungen: Technologien vor dem USB-Zeitalter 1996

Vor der Einführung der USB-Schnittstelle verwendeten die Computerhersteller sowohl serielle als auch parallele Schnittstellen, proprietäre Stecker, Anschlüsse und Kabel für die Datenübertragung, für die oft spezielle Treiber und Karten erforderlich waren. Die Datenübertragungsraten waren langsam, zwischen 100 kB/s (Kilobyte pro Sekunde) bei paralleler und 450 kb/s (Kilobit pro Sekunde) bei serieller Übertragung, und der Anschluss von Geräten erforderte oft, dass der Host-Computer abgeschaltet oder sogar neu gestartet werden musste.

Die erste Entwicklung des USB-Standards begann 1994 durch das USB-IF. Mehrere Versionen des Standards (USB 0.8 und USB 0.9) wurden in diesem Jahr als „Vorabversionen“ angekündigt, die nicht im Handel erhältlich waren. Eine weitere Vorabversion (USB 0.99) wurde 1995 angekündigt, doch war auch diese im Handel nicht verfügbar.

Die Herausforderungen der ersten Generation: USB 1.0 im Fokus

Anfang 1996 wurde USB 1.0 als erste bedeutende Version der USB-Reihe veröffentlicht. Sie leistete Datenübertragungsraten von 1,5 Mbps (Megabit pro Sekunde) bei reduzierter Geschwindigkeit und 12 Mbps bei maximaler Geschwindigkeit. Außerdem war das System selbstkonfigurierend, sodass der Benutzer keine Änderungen an den Geräteeinstellungen vornehmen musste, um die angeschlossenen Geräte anzupassen. Die Schnittstelle war außerdem Hot-Swap-fähig, sodass die Geräte ohne einen Neustart des Host-Computers ausgetauscht werden konnten. Obwohl es sich um die erste kommerzielle Version der USB-Schnittstelle handelte, wurde sie vom Handel nicht sehr gut angenommen und nur wenige Geräte waren für Verbraucher erhältlich.

Die Vorteile von USB 1.1: Fortschritte in der Datenübertragung

Eine überarbeitete Version des ursprünglichen Standards wurde 1998 veröffentlicht. Mit der Bezeichnung USB 1.1 erreichte die neue Version die gleichen Datenübertragungsraten wie die Version 1.0, sie konnte aber auch mit niedrigeren Geschwindigkeiten für Geräte mit geringerer Bandbreite betrieben werden. Sie wurde als Full Speed bezeichnet. Apples iMac G3 übernahm den neuen USB-Standard und stellte die Verwendung serieller und paralleler Schnittstellen an seinen Rechnern ein. Dieser Schritt ebnete den Weg einer breiteren Akzeptanz des USB-Protokolls in der Industrie und einer großen Akzeptanz von USB-Produkten bei den Verbrauchern. In den Versionen 1.0 und 1.1 wurde die Verwendung von Standard-Steckverbindern vom Typ A (rechteckig) oder Typ B (quadratisch mit abgeschrägten oberen Ecken) festgelegt.

Der Millennial: USB 2.0 und die zunehmende Beliebtheit in der digitalen Welt

Mit der steigenden Beliebtheit von PCs und ihren verschiedenen Zusatzgeräten auf dem Markt und der zunehmenden Komplexität der Anwendungen stieg auch der Bedarf an einer höheren Datenübertragungsgeschwindigkeit. USB 2.0 wurde im April 2000 mit einer Datenübertragungsrate von 480 Mbit/s veröffentlicht. Busbeschränkungen reduzierten die Schnittstelle jedoch auf 280 Mbit/s. Aus Marketinggründen wurde sie als High Speed bezeichnet. Die neue Version unterstützte auch 12 und 1,5 Mbit/s bei Geräten mit geringerem Bandbreitenbedarf. Darüber hinaus bot USB 2.0 die Möglichkeit, Multimedia- und Speichergeräte über Plug-and-Play anzuschließen und unterstützte Stromquellen mit USB-Anschlüssen bis zu 5 V und 500 mA.

Außerdem konnten zwei Geräte miteinander interagieren, ohne dass ein separater USB-Host erforderlich war – auch bekannt als USB On-the-Go. USB 2.0 ist kompatibel mit USB-Anschlüssen vom Typ A, B und C sowie mit USB-Mini- und Micro-A- und B-Anschlüssen. Die Einführung der Micro-A- und B-Anschlüsse erfolgte jedoch erst 2007.

Im Jahr 2000 wurden auch die ersten USB-Flash-Laufwerke mit bis zu 8 MB (Megabyte) Speicherkapazität auf den Markt gebracht, was die Akzeptanz des USB-Standards förderte. Heutzutage gibt es Flash-Laufwerke mit einer Speicherkapazität im Terabyte-Bereich.

Die Zukunft der kabellosen Datenübertragung: Gibt es USB ohne Kabel?

Der kabellose USB-Standard (W-USB, Wireless USB) wurde im Mai 2005 für die kabellose Kurzstrecken-Netzwerkkommunikation mit einer 10-Meter-Reichweite und einer Geschwindigkeit von 480 Mbit/s angekündigt. Dieser Standard wird allerdings nicht mehr verwendet.

USB-Micro-Steckverbinder bieten schnellere Ladegeschwindigkeiten und Datenübertragungen

USB-Micro-Steckverbinder debütierten 2007. Sie sind praktisch kleinere Versionen der USB-Mini-B-Anschlüsse und bieten schnellere Ladegeschwindigkeiten und Datenübertragungen als die Mini-Geräte. USB-Micro-Anschlüsse wurden vor allem für die Standardisierung von Verbindungen mit Android-Mobilgeräten eingeführt. Zudem sollte deutlich gesagt werden, dass es sich bei den USB-Micro-Anschlüssen um einen physikalischen Standard handelt, der nicht direkt mit den Kommunikationsstandards wie USB 1.0, 1.1 und 2.0 verwandt ist.

USB 3.0 (jetzt USB 3.2 Gen 1) mit mehr digitaler Speicherung und Bandbreite

Die dritte große Version des USB-Standards berücksichtigt die anhaltende Nachfrage nach mehr digitaler Speicherung und Bandbreite auf dem Markt. Der USB 3.0-Standard wurde im November 2008 veröffentlicht. Er ermöglichte Datenübertragungsraten von bis zu 5 Gbit/s (Gigabit pro Sekunde), funktionierte aber in der Regel mit etwa 3 Gbit/s. Diese Eigenschaft hat dem Standard den Namen SuperSpeedUSB beschert. Mit USB 3.0 wurden die vier Anschlussleitungen der USB-2.0-Hardware auf acht verdoppelt und die bidirektionale Übertragung von Daten ermöglicht. Er ist weiterhin abwärtskompatibel zu USB 2.0. Seit der Einführung wurde USB 3.0 mit der Namensgebung auf 3.2 aktualisiert und heißt jetzt technisch gesprochen USB 3.2 Gen 1.

Der USB-3.0-Standard steigerte auch die Stromübertragungsleistung auf 5 V und 900 mA. Er unterstützt die Anschlussarten USB 3.0 Typ A und B sowie USB Typ C. Um die mit 3.0 verwendeten Anschlüsse zu unterscheiden, sind die Komponenten des Geräts blau gekennzeichnet.

USB 3.1 (oder USB 3.2 Gen 2x1) erhöhte die Datenübertragungsrate auf bis zu 10 Gbit/s

Die USB-3.1-Version war ein Interimsstandard, der mit 3.0 identisch ist, außer dass er die Datenübertragungsraten auf bis zu 10 Gbit/s erhöhte (USB 3.1 Gen 2). Wie bei USB 3.0 wurde der Name für USB 3.1 aktualisiert und heißt nun USB 3.2 Gen 2. Mit den verbesserten Übertragungsgeschwindigkeiten erhielt er die Bezeichnung SuperSpeed+. Die im Juli 2013 veröffentlichte Version 3.1 verwendet die gleichen Anschlüsse (USB A, B, Mini und Micro) wie 3.0.

Im Jahr 2014 wurden auch USB-Typ-C-Anschlüsse angekündigt. Der 2012 erstmals vorgestellte Typ-C-Anschluss liefert Daten-, Display- und Stromsignale über einen einzigen, kleinen Anschluss, der zudem gewendet werden kann. Mit etwa einem Drittel der Größe des ursprünglichen USB-Typ-A-Anschlusses hat der Typ C eine ovale Form und ist etwas dicker als die USB-Mini- und Micro-Versionen. Er enthielt zusätzliche Drähte und Pins, die das Datenpotenzial erhöhten.

USB 3.2 und USB Typ C: Datenübertragungskanäle von einer auf zwei spuren erweitert

USB 3.2 ersetzte die Standards USB 3.0/USB 3.1 und änderte rückwirkend einige dieser Standards. Im September 2017 wurde die USB-Version 3.2 eingeführt, ein weiterer Zwischenschritt, der die Datenübertragungsgeschwindigkeit auf 20 Gbit/s (USB 3.2 2×2) verdoppelte, indem die Datenübertragungskanäle von einer auf zwei Spuren erweitert wurden. Dies wurde durch das Hinzufügen von USB-Typ-C-Anschlüssen erreicht. Die Steigerung auf 20 Gbit/s ist nur mit USB-Typ-C-Kabeln möglich, die 10 Gbit/s in jede Richtung über zwei Leitungspaare übertragen können.

USB 4.0: Die Datenübertragung kann bis zu 40 Gbit/s erreichen kann

USB 4.0, der im August 2019 veröffentlicht wurde, basiert auf dem Thunderbolt-3-Protokoll. Die Datenübertragung kann bis zu 40 Gbit/s erreichen und mit dem neueren Power- Delivery-3.1-Standard ist eine Leistungsübertragung von bis zu 240 W möglich. Thunderbolt 3 ist ein Protokoll, das 2015 von Intel entwickelt wurde, um Hochgeschwindigkeitsdaten und Videoübertragungen zu unterstützen.

Daten- und Videosignale können sich die Kanäle effektiv teilen

Die USB-4.0-Version benötigt keine neuen Anschlüsse und verwendet die vorhandenen Typ-C-Anschlüsse. Auf diese Weise können sich Daten- und Videosignale die Kanäle effektiv teilen und die maximale Bandbreitennutzung des Geräts erreichen, wodurch die Datenübertragungsgeschwindigkeiten optimiert werden. Diese Version ist zu den Standards USB 2.0 und 3.2 ebenfalls abwärtskompatibel (mit Adaptern), auch wenn die Geschwindigkeit darunter leidet.

Diese neueste Version des USB-Standards verfügt zudem über Intelligent Power Delivery, sodass ein USB-4.0-Kabel so viel Strom liefern kann, wie ein angeschlossenes Gerät benötigt – bis zu 240 W und 5 A. Die Stromversorgung erfolgt außerdem bidirektional, d. h. sie kann zu oder von dem angeschlossenen Gerät fließen.

Welche bekanntesten USB-Anschlüsse es gibt

Wie bereits erwähnt, haben die verschiedenen Versionen der USB-Standards eine Vielzahl an Anschlüssen hervorgebracht – bisher 14, um genau zu sein. Obwohl der physische Formfaktor und das USB-Protokoll technisch unabhängig sind, gibt es einen Zusammenhang hinsichtlich der Protokolle, die mit bestimmten Formfaktoren funktionieren. Deshalb hier ein kurzer Überblick über einige der bekanntesten Typen.

• USB Typ A: Der erste und am weitesten verbreitete USB-Anschluss wird seit der Veröffentlichung des Standards verwendet. Er hat eine flache, rechteckige Form und ist nur in einer Richtung einsteckbar.
• USB Typ B: Er ist kleiner als Typ A und hat eine quadratische Form mit leicht abgeschrägten Ecken auf der Oberseite und einem großen Hohlraum auf der Innenseite.
• USB Mini-B: Kompakter, 5-poliger Anschluss, der in älteren Mobiltelefonen und Digitalkameras verwendet wird und weitgehend durch den Micro-B ersetzt wurde.
• USB Micro-B: Kleiner und flacher als der Mini-B, der in vielen Smartphones verwendet wird.
• USB 3.0 Typ A: Flach und rechteckig, ähnlich wie Typ A, aber mit quadratischen Pins und blauen Innenseiten zur Identifizierung. Er ist auch bekannt als SuperSpeed.
• USB 3.0 Typ B: Für Anwendungen im SuperSpeed-Bereich entwickelt, mit zwei übereinander liegenden rechteckigen Abschnitten und blauen Innenteilen zur besseren Identifizierung.
• USB 3.0 Micro-B: Klein, flach und rechteckig mit zwei unterschiedlichen Abschnitten. Er wurde entwickelt für die Übertragung von Daten und Strom für SuperSpeed-Anwendungen.
• USB Typ C: Wendbares, symmetrisches Design mit rechteckiger Form und abgerundeten Ecken. Das neueste USB-Anschlussgerät.

Die ungebrochene Bedeutung der USB-Schnittstelle

Was als Anschlussmöglichkeit für Zusatzgeräte begann, wurde zu einer Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit bei allen Produkttypen, einschließlich Smartphones und anderen mobilen Geräten, Spielen, Spielzeug, Smart Home-Produkten und industriellen Netzwerken. USB-Geräte werden heute auch häufig einfach zum Aufladen verwendet.

Diese Eigenschaften haben dazu beigetragen, dass USB heute weltweit die vorherrschende Signalübertragungstechnologie ist, und die Anwendungen für die USB-Technologie werden weiter wachsen. Die CUI Devices bietet eine Reihe von USB-Anschlüssen und USB-Kabeln in verschiedenen Formaten an, die mehrere USB-Standards erfüllen. (neu)